華中科技大學(xué)在超表面AR顯示研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

近日，華中科技大學(xué)張誠教授課題組以題目Metasurface-enabled Augmented Reality Display: A Review在期刊Advanced Photonics（影響因子17.3）上發(fā)表特約綜述，文章回顧了基于超表面的AR顯示技術(shù)，詳細(xì)分析了三種典型超表面器件，即超透鏡（metalenses）、超表面耦合器（metacouplers）和超表面全息器件（metaholograms）在AR顯示領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以及它們在不同形式的AR顯示中發(fā)揮的作用。

研究人員闡明了以上三種器件的物理原理、設(shè)計方案和相關(guān)AR顯示系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢。張誠教授課題組博士后劉澤陽和王丹燕為本文的共同第一作者，博士研究生高豪、李墨馨、周慧賢為文章做出重要貢獻(xiàn)，華中科技大學(xué)為唯一研究單位。

增強(qiáng)現(xiàn)實（augmented reality, AR）是一種結(jié)合了現(xiàn)實世界景象和計算機(jī)生成內(nèi)容的交互體驗。這些內(nèi)容可以跨越多種感官模式，包括視覺、聽覺、觸覺等。以這種方式，AR技術(shù)改變了人們對真實環(huán)境的持續(xù)感知，這種感知與物理世界無縫地交織在一起，從而被視為對真實環(huán)境的沉浸式體驗。

理想的AR顯示系統(tǒng)需要同時兼顧重量輕、便攜性高、成像質(zhì)量好等特點。然而，當(dāng)前的AR顯示系統(tǒng)基于傳統(tǒng)折射、反射和衍射光學(xué)元件的組合。受物理機(jī)制限制，這些傳統(tǒng)光學(xué)元件只能提供有限的光場調(diào)制能力，同時還存在體積龐大、色散嚴(yán)重等問題，因此無法同時為AR顯示系統(tǒng)提供緊湊的尺寸和良好的顯示性能，包括寬視場角（field of view，F(xiàn)OV）、高色彩精度和大眼盒范圍（eye box）。

近年來，一種平面光學(xué)元件——超表面得到了廣泛研究和快速發(fā)展。通過定制化的超原子（meta-atom）操控入射光的振幅、相位以及偏振態(tài)，超表面能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)折射、反射或衍射光學(xué)元件的功能。超表面技術(shù)表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，如緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸和靈活的光場調(diào)控能力，因此被廣泛認(rèn)為能夠克服當(dāng)前AR顯示系統(tǒng)面臨的一些限制。

根據(jù)核心光學(xué)元件的不同形式，目前主流的AR顯示方案可以大致分為四類：傳統(tǒng)光學(xué)方案、自由曲面光學(xué)方案、全息光學(xué)方案和光波導(dǎo)方案。AR顯示系統(tǒng)通常由以下幾個性能因素來描述，包括視場（field of view，F(xiàn)OV）、眼盒范圍（eye box）、角度分辨率（angular resolution）和焦點提示（focal cue）。

超表面器件，包括主流的超透鏡、超表面耦合器和超表面全息器件等，能夠有效替代AR顯示系統(tǒng)中的傳統(tǒng)光學(xué)元件，提高系統(tǒng)的緊湊性和顯示性能。圖1展示了這三種類型的超表面器件在波導(dǎo)AR顯示系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。

圖1 基于多種超表面器件的波導(dǎo)AR顯示系統(tǒng)概念示意圖

系統(tǒng)中使用了三種類型的超表面器件，包括超透鏡、超表面耦合器和超表面全息器件。

超透鏡通過超原子陣列引入空間變化的相位突變實現(xiàn)光束聚焦。相較于傳統(tǒng)折射透鏡，超透鏡能夠提供更高的數(shù)值孔徑、更緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸以及更豐富的成像功能，因此在對系統(tǒng)尺寸和成像質(zhì)量都有較高要求的AR顯示系統(tǒng)中展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。超透鏡可以用于對微顯示器中的圖像進(jìn)行準(zhǔn)直和投影，構(gòu)建結(jié)構(gòu)緊湊的AR顯示系統(tǒng)。對于目前基于光波導(dǎo)的AR顯示方案，其面臨兩個主要限制，即較小的視場角和較大的色差。

近年來得到廣泛探索的超表面耦合器，比傳統(tǒng)耦合器具有更高的設(shè)計自由度和更強(qiáng)大的光場調(diào)控能力，是突破以上限制的一種有效途徑。偏振敏感型超表面耦合器，能夠選擇性地將某一特定偏振態(tài)的光耦合輸入波導(dǎo)板或從波導(dǎo)板耦合輸出，因此可以通過偏振復(fù)用的方式擴(kuò)大波導(dǎo)顯示的視場角或?qū)崿F(xiàn)視差立體AR顯示。

此外，超表面全息器件通過亞波長的結(jié)構(gòu)單元編碼全息圖像信息，可以對入射光施加更靈活多樣的光場調(diào)控。相較傳統(tǒng)全息器件，超表面全息器件能夠以更小的結(jié)構(gòu)尺寸、更高的工作效率生成具有更高空間分辨率和更寬發(fā)散角的二維及三維全息圖像。超表面全息器件可以作為AR顯示系統(tǒng)的微型圖像源，為系統(tǒng)提供高質(zhì)量的單色或彩色全息圖像。

除了上述介紹的研究工作之外，超表面還能夠豐富AR眼鏡的功能性，如實現(xiàn)眼球追蹤和防止鏡片成霧（anti-fogging）；利用超表面替代傳統(tǒng)光學(xué)組件，如波片、偏振片、分束器和濾色片能夠進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸；超表面在提高微顯示器分辨率方面也展現(xiàn)出優(yōu)勢，如集成了超表面的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器，其空間分辨率可以超過每英寸10,000像素（PPI）等等。

因此超表面有望成為未來AR顯示和相關(guān)應(yīng)用的核心技術(shù)之一，在AR顯示器件中發(fā)揮多種作用。然而，為了最終實現(xiàn)超表面AR顯示器件的商業(yè)化和廣泛應(yīng)用，還需要克服一系列挑戰(zhàn)，如寬帶消色差超透鏡受限于較低的數(shù)值孔徑（NA）和較小的器件尺寸，消色差超表面耦合器尚缺少易于加工的器件設(shè)計，超表面全息器件無法實時投影任意的全息圖像等。

與此同時，研究人員也提出了一系列解決方案來應(yīng)對上述問題，作者在文章的最后也對此進(jìn)行了總結(jié)和展望。（來源：華中科技大學(xué)）